2 Работа транзистора в активном режиме

Рассмотрим работу транзистора, включенного по схеме с общей базой, на примере п-р-п транзистора. При отсутствии электрического поля (U_КБ=0, U_ЭБ=0) потенциальные барьеры эмиттерного и коллекторного переходов одинаковы (φ_КБ= φ_ЭБ=0,3…0,8 В). Потоки неосновных носителей заряда (электронов) в базу и из базы одинаковы и существует термодинамическое равновесие этих потоков (рис.5.4.а,б).

При нормальном включении п-р-п транзистора эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном (рис.5.4 в,г). Прямо смещенный эмиттерный переход имеет небольшое сопротивление - несколько Ом. Коллекторный переход, при отсутствии инжекции из эмиттера, имеет очень большое сопротивление – несколько МОм. Поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузку с большим сопротивлением, практически не изменяя значения коллекторного тока.

При прямом смещении эмиттерного перехода снижается его потенциальный барьер и электроны из эмиттера могут преодолеть потенциальный барьер эмиттерного перехода и попасть в базу, создавая ток неосновных носителейI_Эn. Навстречу этому потоку электронов из эмиттера будет направлен также встречный поток дырок из базы в эмиттер I_Эр. Однако биполярные транзисторы изготовляют таким образом, чтобы концентрация электронов в эмиттере значительно превышала концентрацию дырок в базе. В этом случае малым потоком дырок I_Эр, инжектируемых из базы в эмиттер, можно пренебречь и считать, что при прямом смещении весь ток эмиттера определяется потоком инжектированных электронов:

(5.1)

Эффективность инжекции электронов в базу определяется коэффициентом инжекции неосновных носителей:

(5.2)

Часть электронов инжектированных из эмиттера рекомбинирует с дырками в базе, создавая ток I_Б. Однако количество рекомбинируемых носителей заряда в базе будет небольшим, поскольку толщина базы мала (много меньше диффузионной длины), это значит, что практически все электроны из эмиттера попадут в коллектор, минуя базу. В этом случае ток коллектора практически будет равен току эмиттера:

(5.3)

Эффективность переноса неосновных носителей из базы в коллектор определяется коэффициентом переноса:

(5.4)

В результате этого ток коллектора повышается от очень малого значения обратного тока коллекторного перехода до . Таким образом, в обратно смещенном коллекторном переходе становится практически равным току прямо смещенного эмиттерного перехода.

Если ток коллектора возрастает при неизменном напряжении источника питания U_ИК, то физически это означает, что сопротивление коллекторного перехода снизилось и стало такого же порядка как и сопротивление эмиттерного перехода. Следовательно, в результате инжекции из эмиттера происходит преобразование сопротивления коллектора (transfer resistor).

Поскольку сопротивление коллектора значительно снизилось, то оно становится значительно ниже сопротивления нагрузки R_Н, поэтому падением напряжения на коллекторе можно пренебречь и считать, что все падение напряжения источника питания U_ИК сосредоточено на нагрузке:

(5.5)

Падение напряжения на эмиттере будет равно:

(5.6)

Так как сопротивление нагрузки значительно больше сопротивления прямо смещенного эмиттернрго перехода, то при одинаковых коллекторном и эмиттерном токах , а, т.е. произошло усиление входного сигнала по напряжению и по мощности. Следовательно, биполярный транзистор является активным усилительным устройством, т.к. он способен усиливать мощность.

Основным параметром биполярного транзистора является коэффициент передачи эмиттерного тока:

(5.7)

Коэффициент передачи эмиттерного тока определяется двумя параметрами: коэффициентом инжекции γ и коэффициентом переноса β^*

(5.8)

Усилительные свойства транзистора определяются только электронной составляющей тока инжектированных эмиттером носителей заряда (неосновными носителями), а дырочная составляющая никаких полезных функций не выполняет.

Как следует из (5.2) коэффициент инжекции γ определяет долю электронной составляющей в общем токе эмиттера, поэтому коэффициент инжекции стараются максимально приблизить к 1. Этого можно добиться, уменьшая толщину базы и значительно легируя область эмиттера, и слабо легируя область базы.

С другой стороны, увеличить коэффициент передачи эмиттерного тока можно увеличив коэффициент переноса β^*. Очевидно, что коэффициент переноса тем ближе к 1, чем тоньше база и больше диффузионная длина электронов (неосновных носителей в базе). Это связано с уменьшением вероятности рекомбинации неосновных носителей заряда в базе.

Как следует из сказанного связь между эмиттерным, базовым и коллекторным токами определяется выражением:

(5.9)

Или учитывая (5.7):

(5.10)

Аналогично

(5.11)

где β_CT – статический коэффициент передачи базового тока.

Коэффициенты передачи эмиттерного и базового токов связаны соотношением:

(5.12)